自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線設(shè)計與研究

王海南，郭琎，楊國亮

（煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013）

隨著智慧煤礦的不斷推進(jìn)和發(fā)展，煤礦產(chǎn)品的數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型工作也在逐步推進(jìn)。煤礦產(chǎn)品的封箱包裝過程一直以來因繁瑣、包裝箱種類多、包裝工序多等因素消耗了企業(yè)的人力和物力資源。包裝生產(chǎn)線一直是困擾生產(chǎn)組裝的結(jié)尾環(huán)節(jié)，產(chǎn)品包裝環(huán)節(jié)的速度是關(guān)系到產(chǎn)品入庫、發(fā)貨的一項(xiàng)重要因素，包裝環(huán)節(jié)的效率直接制約著產(chǎn)品的入庫和發(fā)貨，成為了生產(chǎn)效率整體提升的一項(xiàng)重要因素[1]。因此，研制一套可以實(shí)現(xiàn)自動包裝設(shè)備的一體化產(chǎn)線平臺是非常有必要的。

該文針對人工的包裝產(chǎn)線占有的勞動力人員過多，包裝盒手動折疊，手動粘貼產(chǎn)品標(biāo)識碼、包裝產(chǎn)品過多、包裝盒種類繁多，而且產(chǎn)品的包裝效率低下，對產(chǎn)品的供貨周期造成了一定壓力等包裝產(chǎn)線的現(xiàn)狀問題，提出一種自動包裝設(shè)備的一體化產(chǎn)線平臺，該平臺可以使包裝箱實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，減少包裝箱種類，為企業(yè)節(jié)約成本；自動包裝產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品包裝自動折疊成型和自動封箱，節(jié)省人工和工時；實(shí)現(xiàn)自動掃碼、自動放置合格證以及自動封箱打印二維碼標(biāo)簽，自動作業(yè)模式在提升效率的同時，使得產(chǎn)品的可追溯性更為有效可控，是企業(yè)探索數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一種有效途徑[2-3]。

1 自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線系統(tǒng)組成

自動包裝設(shè)備的一體化產(chǎn)線系統(tǒng)主要由自動折箱作業(yè)模塊、二維碼掃描功能識別產(chǎn)品信息和數(shù)據(jù)同步上傳模塊、自動傳送平臺設(shè)備單元以及自動封箱機(jī)同步打印產(chǎn)品包裝箱的二維碼信息的模塊以及產(chǎn)線主控電腦軟件平臺組成。

自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化后的包裝箱自動折箱，二維碼掃碼自動上傳數(shù)據(jù)同步數(shù)據(jù)自動打印技術(shù)，二維碼掃碼后，數(shù)據(jù)上傳包裝產(chǎn)線主機(jī)，數(shù)據(jù)同步自動打印合格證后自動放入產(chǎn)品包裝箱，同步數(shù)據(jù)上傳封箱機(jī)在產(chǎn)品包裝產(chǎn)線自動封箱的同時，外包裝箱噴碼機(jī)在包裝箱上自動打印可追溯二維碼，最后貨物進(jìn)入暫存區(qū)[4]。自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線系統(tǒng)架構(gòu)

自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線系統(tǒng)，采用工序流技術(shù)，利用自動傳送平臺，設(shè)計自動包裝產(chǎn)線工序流的自動傳送方式、自動傳送工序流時間間隔以及人機(jī)物料的配合，自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線工序流程圖如圖2 所示[5]。折箱機(jī)將平面形的紙箱折成立體形狀，并將底面封口，紙箱傳送到人工作業(yè)區(qū)后，人工將產(chǎn)品裝箱和配件裝箱；掃碼槍二維碼掃描識別產(chǎn)品身份，將信息上傳，打印設(shè)備合格證并自動放入箱中；自動傳送到封箱工序，將包裝箱封死并能夠自動打印產(chǎn)品二維碼信息；包裝好貨物自動進(jìn)入貨物暫存區(qū)，統(tǒng)一擺放后人工碼垛入庫。

圖2 自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線工序流程圖

2 自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線系統(tǒng)裝置

為了完成上述的一系列包裝工序，設(shè)計自動折箱作業(yè)模塊、二維碼掃描功能識別產(chǎn)品信息和自動打印合格證模塊、自動傳送平臺設(shè)備單元以及自動封箱機(jī)同步打印產(chǎn)品包裝箱的二維碼信息的模塊這四項(xiàng)主要的模塊單元，其設(shè)計充分考慮自動包裝作業(yè)、產(chǎn)線柔性及后續(xù)拓展[6-7]。圖3 所示為自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線系統(tǒng)裝置產(chǎn)線圖。

圖3 自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線系統(tǒng)裝置產(chǎn)線圖

自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線系統(tǒng)裝置標(biāo)準(zhǔn)化單位現(xiàn)有產(chǎn)品的包裝箱種類，定期利用控制主機(jī)對產(chǎn)線異常數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，在自動產(chǎn)線出現(xiàn)異常的狀態(tài)下，產(chǎn)線傳送平臺設(shè)置響應(yīng)機(jī)制以及應(yīng)急方案；定期利用控制主機(jī)對產(chǎn)線異常數(shù)據(jù)的收集，來解決包裝產(chǎn)線工序流運(yùn)行中的實(shí)際問題，以保證自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線平臺的順利運(yùn)行[8]。

自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線系統(tǒng)裝置的主要特點(diǎn)：

1）實(shí)現(xiàn)多種類產(chǎn)品包裝箱標(biāo)準(zhǔn)化的研究，自動包裝產(chǎn)線標(biāo)準(zhǔn)化單位現(xiàn)有產(chǎn)品的包裝箱種類，利用主控電腦選擇包裝箱種類，調(diào)整各參數(shù)，界面通俗易懂，提升了包裝產(chǎn)線的可兼容性[9]。

2）自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線系統(tǒng)工序流技術(shù)，利用自動傳送平臺，自動傳送平臺流水線分段運(yùn)行，每段都有獨(dú)立的電機(jī)控制流水線平臺的啟停。每段自動傳送平臺的長度經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)后，得出流水線平臺長度為1 m 的方案最優(yōu)，在滿足工藝需求的同時，也能夠節(jié)約能耗[10]。

3）為了有效控制發(fā)生包裝箱體碰撞造成物料損壞，同時提升產(chǎn)線的安全性，自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線每段流水線平臺都增加了光電傳感器來保證包裝產(chǎn)線有效安全運(yùn)行。

4）自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線系統(tǒng)裝置提供2個FE/GE 電口，1 個RS485 接口，方便后續(xù)拓展部署使用。

5）驗(yàn)證了自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線效率有所提升，與傳統(tǒng)產(chǎn)線相比減少1 人，效率提升1.5 倍。

6）完善的故障檢測和報警功能提高了生產(chǎn)線的可靠性和安全性。

3 自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線通信模塊和控制系統(tǒng)設(shè)計

自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線流程：包裝箱上料后首先流入折箱機(jī)，折箱底面封口完成后，包裝箱流入二維碼掃碼機(jī)構(gòu)，掃碼完成后，二維碼掃描機(jī)構(gòu)通過接口線連接包裝產(chǎn)線主控電腦，由主控電腦界面可隨時觀測掃描的二維碼數(shù)據(jù)。當(dāng)包裝箱體到達(dá)二維碼掃描位置后，流水線停止運(yùn)動，主控電腦讀取二維碼掃描信息后，打印機(jī)自動打印合格證放入包裝箱，且人工放入產(chǎn)品和產(chǎn)品配件后，PLC 將會收到主控電腦的二維碼掃描完成信號，二維碼掃描完成信號傳遞到PLC 并且沒有箱體在自動噴碼位置時，兩個條件同時滿足流水線才會運(yùn)動，包裝箱體被傳送到封箱機(jī)工位[11]。

當(dāng)二維碼掃描信號出現(xiàn)異常時，操作人員可及時刪除異常信號，通過主控電腦界面可以隨時讀取二維碼掃描完成信號，包裝產(chǎn)線能夠有效解決包裝箱的產(chǎn)品信息識別。當(dāng)包裝箱體進(jìn)入封箱機(jī)封箱工位后，完成箱體封箱操作，然后流水線將包裝箱推入包裝箱噴碼工位，箱體噴碼工位檢測到包裝箱進(jìn)入后，PLC完成請求噴碼信號并向主控電腦傳遞信號，執(zhí)行噴碼操作。當(dāng)PLC 向主控電腦發(fā)噴碼完成命令后，包裝產(chǎn)線抬升裝置執(zhí)行下降命令，包裝箱流入貨物暫存工位[12]。

3.1 通信模塊

通過分析自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線工藝流程及控制要求，建立了圖4 所示的自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線控制系統(tǒng)布局圖，選用西門子S7-1200CPU1214C型號的PLC，為了實(shí)現(xiàn)西門子PLC 的RS485 通信功能，包裝產(chǎn)線的PLC 裝置增加了8 路IO 通信模塊（SM1223 數(shù)字量輸入輸出模塊）實(shí)現(xiàn)485 通信，通信模塊與PLC 實(shí)現(xiàn)IO 接線[13]。

圖4 自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線控制系統(tǒng)布局圖

通信模塊通過設(shè)定輸入輸出端口來實(shí)現(xiàn)信號的功能，“請求碰碼”分配給輸入端口，“二維碼掃碼完成”和“噴碼完成”信號分配給輸出端口。

通信模塊通信方式設(shè)定為串行從站通信方式，與工控機(jī)通過轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行通信。參數(shù)設(shè)置采用模塊自帶的串口調(diào)試軟件，軟件安裝到工控機(jī)[14]。

3.2 控制系統(tǒng)分配

控制系統(tǒng)CPU 采用的是西門子S7-1200CPU 1214C 的PLC，CPU 的輸入控制系統(tǒng)分配如表1 所示，主要由包裝產(chǎn)線啟停功能按鍵以及產(chǎn)線各工位安全光電功能運(yùn)行信號組裝。

表1 西門子S7-1200CPU的IO點(diǎn)分配表

包裝產(chǎn)線啟停信號：完成包裝產(chǎn)線啟動運(yùn)行和停止運(yùn)行的作業(yè)，包裝產(chǎn)線的啟動初始化運(yùn)行是產(chǎn)線后續(xù)正常運(yùn)行的先決條件，根據(jù)包裝產(chǎn)線的初始化運(yùn)行狀態(tài)，可以初步判斷產(chǎn)線的功能是否處于正常的運(yùn)行狀態(tài)。

包裝產(chǎn)線異常急停信號和功能復(fù)位信號：完成包裝產(chǎn)線運(yùn)行的完全停止功能，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線數(shù)據(jù)的自動復(fù)位；功能復(fù)位的實(shí)現(xiàn)需要依靠人工操作才能實(shí)現(xiàn)，保證產(chǎn)線設(shè)備在人工干預(yù)后的自動重啟。

二維碼掃碼、人工作業(yè)時所有電機(jī)停止信號：人工放置配件時，所有電機(jī)停止，折箱機(jī)和封箱機(jī)停止。

非掃碼人工作業(yè)信號：程序進(jìn)入非二維碼掃碼模式，所有電機(jī)實(shí)現(xiàn)相同運(yùn)行邏輯。

不噴碼信號：通過氣缸實(shí)現(xiàn)機(jī)械操作，實(shí)現(xiàn)包裝設(shè)備產(chǎn)線進(jìn)入不噴碼模式的設(shè)定狀態(tài)，電機(jī)一直運(yùn)行，不使能氣缸進(jìn)行抬升動作，氣缸不會抬升。

CPU 的輸出控制系統(tǒng)分配同樣見表1，主要由包裝產(chǎn)線的初始化運(yùn)行信號、產(chǎn)線報警信號以及流水線平臺電機(jī)控制邏輯輸出信號（實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)行和停止）。

3.3 產(chǎn)線主控電腦軟件平臺

包裝產(chǎn)線主控電腦軟件平臺界面操作簡單，主要包括主控制操作界面、設(shè)備參數(shù)設(shè)定界面、產(chǎn)線運(yùn)行監(jiān)控界面以產(chǎn)線設(shè)備運(yùn)行情況界面等。

這里主要介紹兩個常用的操作界面，設(shè)備參數(shù)設(shè)定界面實(shí)現(xiàn)了不同規(guī)格類型的包裝箱體之間的切換?，F(xiàn)場人員經(jīng)過培訓(xùn)后，可以對界面進(jìn)行操作完成各類別包裝箱體之間的切換，操作簡單易懂，使得包裝產(chǎn)線對技術(shù)操作人員的技能要求有依賴性[15]。包裝產(chǎn)線的正常運(yùn)行監(jiān)控界面是包裝產(chǎn)線運(yùn)行的重要工作內(nèi)容，主控電腦產(chǎn)線運(yùn)行監(jiān)控界面通過軟件實(shí)時提示包裝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備監(jiān)控數(shù)據(jù)的變化情況。

4 結(jié)論

該文介紹了自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線的架構(gòu)及組成，利用PLC 的控制系統(tǒng)設(shè)計自動折箱作業(yè)模塊、二維碼掃描功能識別產(chǎn)品信息上傳和合格證自動打印模塊、自動傳送平臺設(shè)備單元以及自動封箱和產(chǎn)品包裝箱的二維碼噴碼模塊，適用于多類別產(chǎn)品自動化包裝場景[16]。

自動包裝設(shè)備的一體化產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)的自動化包裝作業(yè)，顯著地減少人工成本和提升了包裝效率，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品包裝的掃碼、自動噴碼以及包裝箱自動折箱和封箱，有效解決了生產(chǎn)線包裝效率低下、容易出錯的問題，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品產(chǎn)線自動化包裝的作業(yè)流程，讓自動包裝設(shè)備一體化產(chǎn)線成為智能化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。